Metody oczyszczania wody

Aby oczyścić wodę pitną odpowiednio do użycia jej w laboratorium zwykle wymagane jest zastosowanie szeregu etapów oczyszczania. Nadrzędnym ich celem jest usunięcie zanieczyszczeń z wody zasilającej jednocześnie minimalizując dodatkowe zanieczyszczenie przez składniki systemu oraz przez rozwój bakterii. Projekt systemu oraz wybór jego składników są krytyczne dla osiągnięcia tego celu.

Wybór składników początkowych etapów systemu oczyszczania będzie zależeć od charakterystyki wody zasilającej. Podstawowym zadaniem etapów uzdatniania wstępnego jest redukcja szkodliwości wody dla dalszych składników systemu oczyszczania, zapewnienie niezawodnego jego działania jako całości, oraz obniżenie kosztów tego działania przez ograniczenie nadmiernie częstej wymiany bardziej kosztownych elementów.

Bakterie

Mikroorganizmy oraz powstałe z nich produkty uboczne są szczególnym wyzwaniem. Mikroorganizmy przenikną do niezabezpieczonego systemu oczyszczania wody z wody zasilającej, przez wszelkie "dziury" w systemie, lub przez punkty poboru wody oczyszczonej. Będą się rozwijać jako biofilm na wszystkich mokrych powierzchniach składników systemu włącznie ze zbiornikami magazynowymi oraz elementami instalacji dystrybucji wody. Biofilm to warstwa złożona w większości z glikoprotein oraz hetero-polisacharydów, w której bakterie mogą mnożyć się nawet jeśli stężenie substancji odżywczych w wodzie jest bardzo niskie, a warstwa ta chroni organizmy przed okresowym działaniem biocydów, które są zasadniczo skuteczne w zabijaniu planktonowych (wolno-pływających) mikroorganizmów. Odnawiający się biofilm oraz produkty uboczne rozwoju i metabolizmu mikroorganizmów (n/p endotoksyny) są zawsze potencjalnymi zanieczyszczeniami wody.

Wyzwania dotyczące bakterii w systemie oczyszczania wody ultra-czystej to:

  • Zapewnienie minimalnej ilości bakterii w wodzie produkowanej
  • Usunięcie bakterii obecnych w wodzie zasilającej
  • Uniemożliwienie bakteriom przeniknięcia do systemu i ponownego jego zakażenia.
  • Zahamowanie rozwoju bakterii w systemie poprzez odpowiednie jego zaprojektowanie oraz okresowe sanityzacje.
Technologie stosowane do kontrolowania mikroorganizmów
 
  Filtr
mikroporowaty
Ultrafiltr Odwrócona
osmoza
Wymiana
jonowa
Węgiel
aktywny
Światło
UV
Mikroorganizmy üüü üüü üü ü« ü« üüü
Endotoksyny ü üüü üü üü« ü« ü
Objaśnienie:
üüüDoskonałe usuwanie
üüDobre usuwanie
üCzęściowe usuwanie
«Początkowa wysoka efektywność

Uzdatnianie wstępne

Mikroporowate filtry wgłębne

Mikroporowate filtry wgłębne stanowią fizyczną barierę dla przejścia cząstek stałych, i są charakteryzowane przez nominalny wymiar cząstek zatrzymywanych. Filtry wgłębne są to splątane włókna lub materiał sprasowany do postaci matrycy, która zatrzymuje cząsteczki stałe przez losową adsorpcję lub zatrzymanie wewnątrz w swojej strukturze. Większość wody surowej zawiera koloidy, które mają lekko negatywny ładunek (mierzony przez potencjał Zeta). Skuteczność filtrów może być zwiększona przez użycie mikrofiltrów wykorzystujących zmodyfikowaną powierzchnię, która przyciąga i zatrzymuje naturalnie występujące koloidy, generalnie dużo mniejsze niż wymiar porów w membranie.

Filtry wgłębne (typowo 1-50µm) są szeroko używane jako ekonomiczny sposób usunięcia przeważającej części zawiesin stałych oraz zabezpieczenia dalej położonych urządzeń technologicznych oczyszczania przez zablokowaniem lub zatkaniem. Są wymieniane okresowo.

Węgiel aktywny

Węgiel aktywny jest używany w uzdatnianiu wstępnym do usunięcia chloru oraz chloramin z wody zasilającej, tak aby nie niszczyły one filtrów membranowych oraz żywic jonowymiennych.

Większość węgli aktywnych jest produkowanych przez 'aktywowanie' węgla drzewnego ze skorup orzechów kokosowych lub węgla przez wypalanie w 800-1000°C w obecności pary wodnej oraz CO2. Wymywanie kwasowe usuwa większość pozostałych tlenków i innego rozpuszczalnego materiału. Węgiel aktywny używany w uzdatnianiu wody zwykle ma wymiar porów w zakresie 500-1000 nm oraz powierzchnię około 1000 metrów kwadratowych na gram. Węgiel jest używany jako granulat lub zamknięte wkłady filtracyjne, które wytwarzają mniej wymywanych drobnych cząstek węgla.

Węgiel aktywny reaguje chemicznie z 2-4 krotną wielokrotnością chloru w stosunku do swojej masy, wytwarzając chlorki. Reakcja ta jest bardzo szybka i małe filtry węglowe mogą efektywnie usunąć chlor z wody. Rozkład chloroamin przez węgiel jest względnie wolną reakcją katalityczną wytwarzającą amoniak, azot oraz chlorki: potrzebne są większe ilości węgla. Organiczne blokowanie może zmniejszyć efektywność węgla i jest zależne od miejscowego zasilania wodą. Należy to uwzględnić w trakcie określania wielkości filtra węglowego.

Duża powierzchnia oraz wysoka porowatość węgli aktywnych, jak również materiał na nim zatrzymany, tworzą z niego sprzyjające miejsce dla rozwoju mikroorganizmów. Rozwój ten może być częściowo powstrzymany przez dodanie nierozpuszczalnych biocydów, takich jak srebro, do węgla. Złoża węgla aktywnego muszą być regularnie wymieniane dla zminimalizowania gromadzenia się bakterii.

Główne technologie oczyszczania

Odwrócona osmoza

Wymiana jonowa

Elektrodejonizacja

Destylacja

Destylacja oddziela wodę od zanieczyszczeń przez zmianę stanu wody z fazy ciekłej w fazę gazową a następnie z powrotem w fazę ciekłą. Każda z tych przemian dostarcza możliwości rozdziału czystej wody od zanieczyszczeń. Zasadniczo, destylacja może usunąć wszelkie klasy zanieczyszczeń wody, z wyjątkiem tych, który mają prężność par bliską wodzie, oraz azeotropów.

Laboratoryjne destylatory raczej nie wykonają właściwie procesu oczyszczania wody nie uzdatnionej wcześniej, szczególnie jeśli występuje wytrącanie osadów, tak więc są one najczęściej zasilane wodą wcześniej częściowo oczyszczoną przez RO lub wymianę jonową.

Laboratoryjne destylatory pracują metodą ciągłą: gdy następuje oddestylowanie wrzącej wody, jest ona wymieniana przez świeżą zasilającą. Staranne skonstruowanie destylatora jest istotne, aby zminimalizować możliwość transferu mniej lotnych zanieczyszczeń n.p. przez rozpryski, poprzez powierzchnie albo porywanie kropli wody z parą.

Zanieczyszczenia mające prężność pary wyższą niż woda są usuwane na etapie kondensacji destylatora. Złożone (wielostopniowe) kondensatory, równoważące parę oraz wrzącą gorącą wodę w wielu wyspecjalizowanych przedziałach są niezbędne, żeby usunąć te zanieczyszczenie efektywnie. Zanieczyszczenie wody z otaczającego powietrza (n.p. kurz, lotne substancje, itp.) musi być także zminimalizowane.

Tak jak RO, destylacja produkuje wodę oczyszczoną powoli i destylat musi być przechowywany do późniejszego użycia.

Destylatory są bardzo energochłonne - typowo zużywają 1 kW energii na 1 litr produkowanej wody. Zależnie od konstrukcji destylatora, woda destylowana może mieć rezystywność około 1 MW·cm z powodu CO2 z powietrza rozpuszczającego się w wodzie destylowanej. Destylat będzie sterylny świeżo po wyprodukowaniu, ale nie pozostanie taki bez bardzo starannego przechowywania.

Dla utrzymania sterylności, są stosowane sterylne butle magazynowe a woda zbierana jest autoklawowana, ale jeśli butla taka zostanie otwarta, jest wystawiona na działanie bakterii i zanieczyszczenie się rozpoczyna.

Węgiel aktywny

Drugim istotnym zastosowaniem węgla aktywnego jest usuwanie związków organicznych z wody oczyszczonej, często w pętli oczyszczania przed końcowym złożem jonowymiennym. Węgiel aktywny pochłania zanieczyszczenia wody poprzez siły jonowe, polarne oraz Van der Waalsa, oraz poprzez przyciąganie powierzchnią aktywną. Złoża węgla aktywnego są skłonne do uwalniania drobnych cząstek węgla oraz składników rozpuszczalnych do strumienia przepływającej wody oraz nie usuwają wszystkich rozpuszczonych zanieczyszczeń organicznych, lecz ich użycie może spowodować wyraźne obniżenie wskaźnika TOC. Czystsza forma węgla aktywnego produkowana z ziaren polimerowych jest czasem używana w tym zastosowaniu.

Filtry mikroporowate

Mikroporowate filtry 'odsiewające' tworzą fizyczną barierę dla przejścia cząstek stałych oraz mikroorganizmów w systemie oczyszczonej wody. Filtry 'odsiewające', charakteryzowane wskaźnikiem absolutnej wielkości cząstek zatrzymywanych, posiadają jednolitą strukturę molekularną, która, jak sito, zatrzymuje wszystkie cząsteczki większe niż kontrolowany wymiar porów na ich powierzchni.

Filtry 'odsiewające' (0,05 do 0,22 µm) są typowo używane tak blisko jak to możliwe punktu poboru wody stanowiąc pułapkę dla mikroorganizmów i drobnych cząstek stałych.

Wyłapane na filtrze cząstki, włącznie z mikroorganizmami lub produktami ich metabolizmu, i substancjami rozpuszczalnymi, mogą być wymywane z filtrów wobec czego odpowiednie ich utrzymanie (regularna sanityzacja oraz okresowa wymiana) jest niezbędne dla utrzymania żądanego poziomu funkcjonowania. Nowo zainstalowane filtry zwykle wymagają płukania przed użyciem dla usunięcia ekstrahowalnych zanieczyszczeń.

Mikroporowata membrana filtra jest zasadniczo uważana za niezbędną w systemie oczyszczania wody, chyba że jest zastąpiona przez ultrafiltr.

Ultrafiltry

Ultrafiltr (UF) to termin używany do określenia filtra membranowego usuwającego cząsteczki tak małe jak makromolekuły białkowe. Pory zwykle mają od 1 do 50 nm i często używa się membran w postaci wydrążonych włókien, aby uzyskać wyższe przepływy. Ultrafiltry są charakteryzowane przez efektywność, z jaką redukują stężenie odpowiednich zanieczyszczeń do akceptowalnych poziomów.

Ultrafiltry są zwykle instalowane blisko wylotu systemu uzdatniania wody w celu redukcji stężenia mikroorganizmów oraz dużych cząsteczek związków organicznych, włącznie z nukleazami oraz endotoksynami. Ultrafiltry muszą być regularnie sanityzowane i/lub wymieniane dla utrzymania ich efektywności. Ultrafiltry mogą być instalowane w tradycyjny sposób, gdzie cały przepływ wody odbywa się wprost przez membranę. lub na sposób 'cross flow' (przepływ styczny) gdzie część wody przepływa poprzecznie do powierzchni membrany w celu zmniejszenia blokowania przez spłukanie zanieczyszczeń.

Ultrafiltracja to znakomita technologia dla zapewnienia stałej wysokiej jakości wody ultra-czystej względem cząstek stałych, bakterii i pirogenów.

Filtry wentylacyjne

Hydrofobowe filtry mikroporowate są często zakładane na pojemniki magazynowe wody jako filtry wentylacyjne w celu zabezpieczenia przed przenikaniem do zbiornika cząstek stałych, wraz z mikroorganizmami. Przez połączenie medium absorpcyjnego z medium filtracyjnym, kompozytowe filtry wentylacyjne mogą także zminimalizować skażenie magazynowanej wody przez CO2 oraz lotne związki organiczne. Regularna ich wymiana jest zasadnicza dla utrzymania efektywności.

Membrany kontaktorowe

Urządzenie kontaktorowe wykorzystuje filtr z membraną hydrofobową od usuwania gazów (n/p CO2, O2) z wody. Strumień wody przepływa po jednej stronie membrany a gaz płuczący lub próżnia usuwa gazy z drugiej strony membrany. Szybkość usuwania jest zależna od przepuszczalności membrany, powierzchni kontaktu, czasu kontaktu oraz różnicy między ciśnieniami cząstkowymi poprzez membranę.

Światło ultrafioletowe

Światło ultrafioletowe jest używane jako bakteriocyd oraz w celu rozrywania i foto-utleniania cząsteczek organicznych zanieczyszczeń do polarnych lub zjonizowanych elementów dla następnie usunięcia ich przez wymianę jonową. Źródłem UV w laboratoryjnych systemach oczyszczania wody są niskociśnieniowe lampy rtęciowe.

Promieniowane o długości fali 254 nm posiada najsilniejsze działanie bakteriobójcze, niszczy polimerazy DNA i RNA, przy mniejszych dawkach zapobiegając powielaniu; wyższe dawki są bakteriobójcze. Komory UV oraz lampy muszą być tak skonstruowane, aby zapewnić na tyle wystarczające dozowanie UV, żeby uniknąć produkcji żywych choć dezaktywowanych mikroorganizmów.

Promieniowanie o krótszej długości fali (185 nm) jest najbardziej efektywne do utlenienia organiki. UV rozrywa duże organiczne cząsteczki na mniejsze zjonizowane elementy, które mogą być następnie usunięte przez złoże żywicy jonowymiennej o wysokiej czystości. Wcześniejsze usunięcie jonów organicznych przez wstępną wymianę jonową optymalizuje efektywność UV.

Promieniowanie UV przy 185 nm jest wysoko efektywnym utleniaczem i kluczowym elementem w produkcji wody ultra-czystej z najniższym poziomem zanieczyszczeń organicznych.